Tendencias de aligeramiento de peso en los materiales metálicos

Las crecientes demandas del mercado en términos de coste y rendimiento obligan a una continua transformación de la gama de materiales demandados por la industria, llevando al desarrollo de diferentes soluciones para cada sector. Estas soluciones se traducen a menudo en oportunidades de mejora que se exportan de un sector a otro. A continuación se presentan tres ejemplos representativos que se han desarrollado en el sector de automoción, aeroespacial y maquinaria pesada, y que pueden ser un referente para otras industrias.

El endurecimiento en prensa, también conocido como estampación en caliente, se utiliza principalmente para la fabricación de piezas relacionadas con la seguridad en la industria automovilística. Esta novedosa tecnología se basa en el endurecimiento de un material de nueva generación, chapa de acero al boro. Este innovador proceso permite conformar acero avanzado de alta resistencia con geometrías complejas más allá de las capacidades que presenta la estampación en frío tradicional. Los ensayos a impacto han demostrado que las características de seguridad mejoran significativamente, a la vez que se reduce el peso. En este contexto, la estampación en caliente se presenta como un método de conformado en caliente capaz de obtener componentes ligeros, de geometrías complejas y elevadas propiedades mecánicas. Se define como "proceso de conformado no isotérmico para chapas metálicas, donde el conformado y el temple tienen lugar en la misma etapa" [1].

Durante el proceso, las siluetas de chapa metálica se calientan por encima de la temperatura de austenización, donde presentan un comportamiento dúctil. La etapa de calentamiento inicial esta seguido por una etapa de conformado y rápido enfriamiento, donde la microestructura de la chapa metálica se transforma y endurece por temple, alcanzando una resistencia a la tracción de hasta 1.500 MPa.

Figura1. Clasificación de las propiedades obtenidas en relación con los aceros estándares de acuerdo a Keeler y Kimchi [2].

La capacidad de combinar de forma eficaz una elevada resistencia y una geometría compleja las piezas estampadas en caliente, permite fabricar componentes relativamente ligeros frente a los subconjuntos soldados estampados en frío, de mayor espesor y peso. En este contexto, la estampación en caliente se ha convertido en una de las soluciones de aligeramiento más avanzadas para la fabricación de componentes de carrocería, que de forma simultánea permiten mejorar el rendimiento frente al choque y los requisitos de seguridad de los pasajeros. Los aceros endurecidos por temple en troquel han sustituido en más de un 40% el peso de componentes del Body-in-White y se espera que la utilización de este tipo de materiales se extienda a otros sectores de la industria del transporte.

Por otro lado, el aluminio también se presenta como una excelente alternativa al acero, para el aligeramiento de componentes. Hoy en día las aleaciones de aluminio son los materiales más utilizados para la fabricación de componentes estructurales para el sector aeronáutico [3]. El hecho de que aleaciones de aluminio se estén utilizando en este sector, hace de fuerza motriz para el desarrollo de soluciones ligeras fabricadas en aluminio. El aligeramiento del peso se alcanza aumentando la complejidad geométrica y la resistencia mecánica de las aleaciones de aluminio. El aumento de la resistencia se ha alcanzando con el desarrollo de aleaciones especiales, como lo son las nuevas aleaciones de la serie 6XXX de Alta Resistencia-HSA6 [4] o la serie 7XXX con Sc [5]. A pesar de que la elevada resistencia de estas aleaciones es una ventaja para el diseño, también se trata de una desventaja, ya que el conformado del material requiere de operaciones de gran deformación.

Las limitaciones de procesado de estas novedosas aleaciones precisan de un importante esfuerzo para superar las dificultades que surgen durante la fabricación de componentes. La aplicación de la tecnología de estampación en caliente en aleaciones de aluminio de alto rendimiento (por ejemplo aleaciones de Al reforzadas con Sc) ofrece la posibilidad de fabricar un material de elevada resistencia, con una reducción de peso del componente final.

Hoy en día, la industria aeronáutica utiliza muchas aleaciones de aluminio, si bien la más utilizada es la aleación 7075. Más aun, las innovadoras aleaciones Al-Li y Al-Sc están entrando en el mercado con fuerza debido a la elevada relación resistencia-peso y las oportunidades en la libertad de diseño que presentan para el aligeramiento. Las altas exigencias aeroespaciales y su compromiso con el aligeramiento relacionado con la reducción de las emisiones de CO2 es la principal fuerza motriz para el desarrollo de nuevas aleaciones de aluminio. La industria aeroespacial se beneficia de las tradicionales y nuevas aleaciones de aluminio para fabricar aeronaves más seguras, fiables y de menor costo. Estos aspectos permiten pronosticar que las aleaciones de aluminio seguirán siendo valiosas en el futuro. Estos desarrollos ya han comenzado a ser transferidos al sector del automóvil y parece una tendencia natural aumentar el uso del aluminio en la industria del transporte.

En el caso de las fundiciones de hierro, los distintos grados ADI (Austemperered Ductile Iron) se presentan como una solución alternativa para el aligeramiento y eficacia de materiales. Las fundiciones ADI son materiales férreos con una alta relación resistencia-peso y buenas propiedades dinámicas. Esto hace que se seleccionen los grados ADI cuando se requiere de componentes con geometrías complejas, ya que el proceso de fundición permite fabricar piezas near-net-shape.

Debido al elevado rendimiento, los grados de ADI han comenzado a sustituir piezas de acero forjado, subconjuntos soldados, acero cementado y aleaciones de aluminio. En términos de resistencia equivalente, casi el 80% de todos los aceros fundidos y forjados pueden ser reemplazados con algún grado ADI. Otra característica del  hierro fundido es que presenta una menor densidad que los aceros, con lo cual el peso relativo por unidad de fuerza del ADI permite economizar en el diseño sin perder el rendimiento. Para una geometría dada, un componente de ADI es un 10% más ligero que uno de acero. Además, también puede ser más ligero que el aluminio, donde el ADI es tres veces más resistente que la mejor aleación de aluminio fundido o forjado, y tan solo presenta un 2,5 más en peso. Además, debido a que el ADI es dos veces más rígido que el aluminio, una pieza ADI correctamente diseñada puede reemplazar al aluminio con un ahorro de peso.

Figura 2. Límite elástico del ADI vs varios materiales comúnmente utilizados en ingeniería [6]

A pesar de que los grados de ADI se utilizan principalmente en la industria de maquinaria pesada, su utilización está aumentando en la industria automoción.

[1] M. Merklein and J. Lechler, Investigation of the thermo-mechanical properties of hot stamping steels," Journal of Materials Processing Technology, vol. 177, no. 1{3, pp. 452 { 455, 2006. Proceedings of the 11th International Conference on Metal Forming 2006.

[2] S.,Keeler, M.,Kimchi, Advanced High-Strength Steels Application Guidelines Version 5.0; WorldAutoSteel: Brussels, Belgium, 2014

[3] A.P. Mouritz, “Introduction to aerospace materials”, Woodhead Publishing (2012).

[4] M. Jarret, Industrialization Program Manager at Constellium: “Accelerating the development of aluminium lightweighting solutions for Body-in-White and crash management systems”, GALM Conf. Birmingham (2016).

[5] Y. Deng et al., “Evolution of microstructure and properties in a new type 2 mm Al–Zn–Mg–Sc–Zr alloy sheet”, Journal of Alloys and Compounds, Volume 517, 15, Pages 118–126 (2012).

[6] J. R. Keough and K. L. Hayrynen, G. L. Pioszak, Applied Process Inc. Technologies Division, Livonia, MI. Paper 10-129.pdf, Page 2 of 15 AFS Proceedings 2010  American Foundry Society, Schaumburg, IL USA